SuS-01.1: Einführung und Konzept

Software ubiquitärer Systeme
Einführung und Konzept
Olaf Spinczyk
Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware
Lehrstuhl für Informatik 12
TU Dortmund
[email protected]
http://ess.cs.uni-dortmund.de/~os/
http://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2012/SuS/
1
Inhalt
●
Einführung
Visionen
● Realitäten
●
●
Konzept der Lehrveranstaltung
Ziele
● Überblick
● Voraussetzungen
● Übungen
● Leistungsnachweis
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
2
Inhalt
●
Einführung
Visionen
● Realitäten
●
●
Konzept der Lehrveranstaltung
Ziele
● Überblick
● Voraussetzungen
● Übungen
● Leistungsnachweis
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
3
Der Begriff: „ubiquitous“
●
Webster's New Encyclopedic Dictionary:
ubiq·ui·tous \yů-bik-wət-əs\ adj : existing or
being everywhere at the same time : widely or
generally present [from ubiquity, from Latin
ubique „everywhere“]
●
Collins-Klett English-German Dictionary
ubiquitous adj
allgegenwärtig. sandstone is ~ in this district
Sandstein ist in dieser Gegend überall zu
finden.
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
4
Der Begriff: „Ubiquitous Computing“
„Ubiquitous Computing enhances computer
use by making many computers available
throughout the physical environment, while
making them effectively invisible to the user.
Mark Weiser, 1993 [1]
●
●
●
●
Stichworte:
Benutzbarkeit
Vielzahl
Physikalische Umgebung
Unsichtbarkeit
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
5
Der Visionär: Mark Weiser
(1952 - 1999)
●
Prägte den Begriff
●
Beeinflusste diverse Forscher,
Entwickler und Geldgeber
3823 Zitierungen von [2]
laut Google Scholar (03/2009)
● MIPS/Joule Betrachtungen
● ACM SIGOPS Mark Weiser Award
●
●
CTO bei Xerox PARC (Palo Alto Research Center)
● erstes
● Pad,
●
Quelle: Xerox PARC
experimentelles „Ubiquitous Computing Environment“
Tabs und Boards beeinflussten Hardware-Entwicklungen
und Schlagzeuger in der Band „Severe Tire Damage“
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
6
„The third wave of Computing ...“ [3]
Phase I:
Mainframe Era
viele Menschen,
ein Computer
● Experten nötig
●
Phase II:
PC Era
Übergang:
Internet Era
● Mainframes in
ein Menschen,
ein Computer
großen Stil
● benötigt volle
● Informationsflut
Aufmerksamkeit
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
Phase III:
UC Era
viele Rechner
teilen sich
einen Menschen
● Dinge des tägl.
Lebens werden
verbunden
●
7
„The third wave of Computing ...“ [3]
Phase I:
Mainframe Era
viele Menschen,
ein Computer
● Experten nötig
●
Phase II:
PC Era
Übergang:
Internet Era
● Mainframes in
ein Menschen,
ein Computer
großem Stil
● benötigt volle
● Informationsflut
Aufmerksamkeit
●
Phase III:
UC Era
viele Rechner
teilen sich
einen Menschen
● Dinge des tägl.
Lebens werden
verbunden
●
Beginn
Beginn 1996
1996 geschätzt
geschätzt auf
auf 2005-2020
2005-2020
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
8
Die Essenz: Typische Eigenschaften
●
Viele eingebettete und ggf. transportable Geräte
●
●
Transparente Kommunikation
●
●
●
Kurze Strecken, meist drahtlos
Verschiedenste Dienste für den Menschen
●
Weitestgehend unsichtbar
●
„Calm Technology“: Bei Bedarf aus der Peripherie ins Zentrum
unserer Auffassung und wieder zurück
Geräte haben Sensoren
●
➔
Stromsparend, klein, billig
Physikalische Welt wird im Rechner abgebildet
Mehr Spaß und Lebensqualität
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9
Analogie Motoren
●
Beginn des letzten Jahrhunderts:
●
●
Heute:
●
➔
Werkstätten haben genau einen Motor,
der dutzende von Maschinen antreibt
Jedes Gerät hat
einen oder viele Motoren,
niemand beachtet sie noch.
Quelle: Arnulf Betzold,
Holzbausatz „Werkstatt um 1900“
Sobald wir eine Technologie beherrschen,
wandert sie in den „Hintergrund“
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Analogie Motoren
●
Beginn des letzten Jahrhunderts:
●
●
➔
Werkstätten haben genau einen Motor,
der dutzende von Maschinen antreibt
Heute:
“The most profound technologies are those
● Jedes Gerät hat
einenthat
oderdisappear.
viele Motoren,They weave themselves into
niemandthe
beachtet
Quelle: they
Arnulf Betzold,
fabricsie
ofnoch.
everyday life until
are
indistinguishable fromHolzbausatz
it.” [2] „Werkstatt um 1900“
Sobald wir eine Technologie beherrschen,
wandert sie in den „Hintergrund“
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Frühe Prototypen
●
1989-1992: Active Badge System [4]
● Cambridge
●
University Computer Laboratory
1991-2000: Pads, Tabs und Boards
●
Xerox PARC
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12
Das „Active Badge System“ (1989)
●
Zweck
●
●
Lokalisierung von Personen
in Büroumgebungen
Technik
●
Mitarbeiter tragen
personalisierte „Badges“
- 55 x 55 x 7 mm, 40 g
Quelle: Roy Want
Badges senden periodisch
alle 10s ein IR-Signal
● Sensoren in allen Räumen erlauben die Zuordnung Badge-Raum
●
●
Anwendung
1500 Badges und 2000 Sensoren an verschiedenen Universitäten
und anderen Forschungsinstitutionen
● Zentrale Anwesenheitskarte
● Halbautomatische Telefonweiterleitung
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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PARC Tabs
●
●
Prototyp heutiger PDAs
und Internet Tablets
Technik
7,8 x 10,5 x 2,4 cm
● 215 g
● Akku 12 Std. / eff. 2 Wochen
● Anzeige monochrom 128 x 64
● Touch Screen
● IR-Schnittstelle
● 8051 CPU
●
●
Anwendung
Lokalisierung der Mitarbeiter
● Mensch/Maschine Schnittstelle
●
Quelle: Xerox PARC
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14
PARC Pads
●
Familie von elektronischen Notizblöcken
X-Windows-kompatibel
● Touch Screen mit Stift
● Mikrophon
● Drahtlose Netzwerkanbindung
(IR und Funk)
●
Quelle: Xerox PARC
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15
PARC Liveboards
●
●
Eine elektronische Tafel
Technik
83 x 52 x 30 Zoll, 250 kg
● Anzeige
●
- monochrom 1024 x 768
- farbig 640 x 480
- NTSC Video
Stereo Ton
● PC/Sun Workstation
●
●
Anwendung
●
Kollaboratives Arbeiten
- Flip Chart
- Gemeinsame Skizzen/Diagramme
●
Videokonferenzen
Quelle: Xerox PARC
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Herausforderungen
●
Hardware
●
●
Preis, Größe, Sensorik, Stromquellen, Stromverbrauch, ...
Software
Kontextabhängigkeit
● Nutzerschnittstellen
● Verteilte Systeme
● Mobilität
● Skalierbarkeit
● Verlässlichkeit
● Interoperabilität
● „Entdeckung“ von Ressourcen und Diensten
● Datenschutz und -sicherheit
●
Die
Die Vision
Vision des
des „Ubiquitous
„Ubiquitous Computing“
Computing“
berührt
berührt viele
viele Teilbereiche
Teilbereiche der
der Informatik.
Informatik.
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17
Zwischenfazit
... oder was „Ubiquitous
Computing“ nicht ist.
●
Z.B. Virtual Reality (VR)
●
Bei VR werden Gegenstände
der realen Wert im Rechner
nachgebildet.
- Selbst der Benutzer „verlässt“
die reale Welt.
●
Bei „Ubiquitous Computing“
reichern Computer die reale
Welt an.
- Durch Vernetzung und
Informationsaustausch können
sie dem Menschen vieles abnehmen.
Quelle: Xerox PARC
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
18
Eingebettete Systeme?
Die technische Basis des „Ubiquitous Computing“
ist die allgegenwärtige Präsenz kooperierender
eingebetteter Rechnersysteme.
●
„Ubiquitous Computing“ und „Eingebettete Systeme“
sind Begriffe auf unterschiedlichen Ebenen:
- UC:
- ES:
●
●
Eine Vision für eine bessere Welt
Eine technische Grundlage
Nicht alle eingebetteten Systeme haben etwas mit
„Ubiquitous Computing zu tun.
„Ubiquitous Computing“ ist mehr als eine technische
Fragestellung.
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Verwandte Begriffe
●
Pervasive Computing
wird praktisch synonym zu „Ubiquitous Computing“ verwendet
● deutsch: „durchdringend“
● wohl geprägt durch IBM
●
●
Proactive Computing
wird praktisch synonym zu „Ubiquitous Computing“ verwendet
● Fokus auf „Rechner, die unsere Wünschen erahnen, und frühzeitig
agieren“
● geprägt durch Intel
●
●
Ambient Intelligence
wird praktisch synonym zu „Ubiquitous Computing“ verwendet
● Fokus auf „intelligente“ Wohn- und Arbeitsumgebungen
● geprägt durch EU-Förderung
●
●
...
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Taxonomie
... der Forschungsprobleme nach Satyanarayanan [5]
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
21
Inhalt
●
Einführung
Visionen
● Realitäten
●
●
Konzept der Lehrveranstaltung
Ziele
● Überblick
● Voraussetzungen
● Übungen
● Leistungsnachweis
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
22
Die Prognose
●
●
20% mehr als im Q1/2010
PC-Markt 2011 wuchs nur noch um 4%
Quelle: Mark Weiser, www.ubiq.com
●
... ist tendenziell richtig:
Q1/2011 wurden laut IDC 371.800.000 Handys verkauft
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Die Technologie
●
Miniaturisierung
●
●
erlaubt heute durchaus 100 Computer pro Kubikmeter
Energieversorgung
●
Energie ist überall, man muss nur stromsparende Computer bauen
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Miniaturisierung: Smart Dust
●
●
●
●
●
●
Beispiel: Spec Motes
(UC Berkeley)
2 x 2.5 mm
AVR-artiger RISC Kern
3K Speicher
Funksender
> 40 Fuß, innen, 19.2Kbps
Programmierung in C über
eine SPI-Schnittstelle
Kosten ca. $0.70
Quelle: UC Berkeley, Lab Notes
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Energieversorgung: Energy Harvesting
●
Beispiel: TE-Power Node
Arbeitet ohne Batterie
Thermogenerator erzeugt aus
einer Temperaturdifferenz eine
Spannung
● Wandlung auf 2.4 V
● Aufladung eines Kondensator
●
●
●
●
MSP430 Micro-Controller
TI CC2500 Funkmodul
System kann zyklisch (1 x
pro Sek.) Messwerte per
Funk liefern.
Quelle: Micropelt GmbH
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Aktuelle „unbemerkte“ Beispiele (1)
●
Thinking Carpet
●
●
Infineon und Vorwerk
Technik
Bis zu 25 vernetzte Mikrocontroller
pro Quadratmeter
● Sensoren für Vibration, Druck
und Temperatur
●
●
Anwendungen
●
Alarm-, Klima- und Leitsystemtechnik, z.B. ...
-
automatische Türoffner
automatische Lichtschalter
Sicherheitsbereiche überwachen
Personenzählung
Quelle: Vorwerk Teppichwerke
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
27
Aktuelle „unbemerkte“ Beispiele (2)
●
RFID Etiketten
●
Vereinfachen Warenwirtschaft und Logistik
Quelle: Eric van Osten, RFID Product News
●
Helfen Personen zu identifizieren.
VIP MemberChip, Baja Beach Club, Barcelona Deutscher Reisepass („ePass“)
Quelle: BBC News
Quelle: BMI
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
28
Kritik: Generelle Fragen
●
Verlust der Privatsphäre
●
●
Wollen wir jederzeit lokalisierbar sein?
Verlust der Selbstbestimmung
Treffen Computer zu viele Entscheidungen
für uns?
● Was dürfen Computer entscheiden?
●
- Physische Selbstbestimmung
●
Massen an Computerschrott
●
Realisierbarkeit
Ist Hardware wirklich billig genug?
● Skalieren die Netzwerke hinreichend gut?
● Wie kommt man durch die Übergangsphase?
● Wie baut man ubiquitäre Systeme?
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
Quelle: A. Greenfield [6]
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Fazit
●
Hardware
Die Zahl der Rechner in unserer Welt wird zunehmen.
● Die Art der Systeme wird je nach Aufgabe variieren.
● Vernetzung spielt eine wachsende Rolle.
●
●
Software
●
●
Gesellschaft
●
●
Anforderungen an ubiquitäre Softwaresysteme erfordern neue
Methoden bei der Entwicklung.
Ein verantwortungsvoller Umgang ist sehr wichtig.
Informatik
●
Ubiquitous Computing ist und bleibt ein bedeutendes
interdisziplinäres Forschungsfeld.
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Inhalt
●
Einführung
Visionen
● Realitäten
●
●
Konzept der Lehrveranstaltung
Ziele
● Überblick
● Voraussetzungen
● Übungen
● Leistungsnachweis
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
31
Ziele
●
Systemsoftware für ubiquitäre Systeme bewerten,
modifizieren oder entwickeln können
●
●
Theorie und Praxis!
Grundlagen und Konstruktionsprinzipien verstehen
Primär auf den verschiedenen Ebenen der Systemsoftware
● Beispiele aus Industrie und Forschung
● Finden von Gemeinsamkeiten
●
●
mit typischen Randbedingungen umgehen können, z.B.
Ressourcenknappheit bzgl. Speicher, Energie, Rechenleistung, Netz
● Kontextabhängigkeit des Verhaltens
● Sicherheit, Schutz der Privatsphäre
●
●
Einzelne Entwicklungsmethoden vertiefen, z.B.
Software-Produktlinien
● Generische und aspektorientierte Programmierung
●
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Überblick: Kapitel
Abschluss
Anwendung
Java Plattformen
Datenhaltung
TinyDB
Middleware
OSEK/COM
Betriebssystem
OSEK/AUTOSAR
Hardware
Model-Driven
FAME-DBMS
Everyware-Prinzipien
COUGAR
Datenanalyse
SQL
RPC
AUTOSAR RTE
Microcontroller
TinyOS
Sensoren
Peer-to-peer
UPNP
MPU
CiAO
Virtualisierung
Funktechnologien Instruktionssatz
Einführung
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Überblick: Querschnittsthemen
... auf der Suche nach Gemeinsamkeiten
und Konstruktionsprinzipien
Abschluss
Anwendung
Statische
Analyse
Java Plattformen
Datenhaltung
AOP, FOP
TinyDB
FAME-DBMS
Model-Driven
COUGAR
Cooperative I/O
Middleware
OSEK/COM
RPC
AUTOSAR RTE
Produktlinien
Betriebssystem
OSEK/AUTOSAR
TinyOS
Low-Power
Sleep Modes
Hardware
Einführung
Microcontroller
Sensoren
Thumb-Instr.
Everyware-Prinzipien
MPU
Kryptographie
AdapDatenanalyse
tierung
SQL
IndoorUPNP
Lokalisierung
CiAO
Virtuelle
Maschinen
Peer-to-peer
Virtualisierung
MPU
GPS
Funktechnologien
Instruktionssatz
Ressourcenverbrauch:
Speicher, Energie
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
Kontext
Sicherheit
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Voraussetzungen
●
●
Grundkenntnisse in
●
Betriebssysteme
●
Rechnernetze
●
Eingebettete Systeme
Programmierkenntnisse in
●
●
●
C/C++
Interesse an
●
eingebetteten Systemen
●
neuen Ansätzen der Softwaretechnik und Programmiersprachen
Freude an
●
praktischen Übungen
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Vorlesungsbegleitende Übungen (1)
●
Christoph Borchert
„Tafel-/Rechnerübungen“ (alternierend)
● Vertiefung des Vorlesungsstoffs
● Praktische Programmieraufgaben
● Besprechung der Aufgaben
●
Raum:
● Zeit:
●
●
Start:
OH-14 E02 / OH-16 E07
Mo.
10:15-11:45 oder
14:15-15:45
Mo, 16.04.
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Vorlesungsbegleitende Übungen (2)
●
eZ430-Chronos
(Exemplarisch für ubiquitäre Rechnersysteme)
● Microcontroller: MSP 430 (27MHz),
16 Bit RISC Architektur
Speicher: 4 Kbyte RAM,
32 Kbyte FLASH ROM
● On-Chip Funkmodul
● Diverse Stromsparmöglichkeiten
● Sensoren für Beschleunigung, Druck,
Temperatur, Batteriespannung
● Display, Taster, ...
● AO-StuBS BS-Familie
- aspektorientiert
- merkmalbasiert konfiguriert
●
Aufgaben
●
Sensorprogrammierung, Kommunikation, Maßschneiderung, ...
SuS 01.1 – Einführung und Konzept
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Prüfung/Schein
●
Mündliche Prüfung (ca. 30 Minuten)
über 6 SWS (4V+2Ü) / 9 Credit Points
●
●
●
Abgedeckt wir der Stoff der Vorlesung und Übung
Unbenoteter Teilnahmeschein für
●
Erfolgreiche Bearbeitung aller Übungsaufgaben
●
Aktive Teilnahme
Anrechenbarkeit
●
Informatik Diplom: Wahlveranstaltung
- Schwerpunktgebietet 1 (SW-Konstr.), 2 (Rechnerarchitektur, Eingebettete
Systeme und Simulation) und 3 (Verteilte Systeme)
●
Informatik Master: Basismodul INF-MA-222
- Schwerpunktgebiet B (Eingebettete und Verteilte Systeme)
●
alle anderen bitte frühzeitig Anrechenbarkeit klären
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Hausaufgaben
●
Anmeldung zur Übung mit Hilfe von ASSESS
http://ess.cs.tu-dortmund.de/ASSESS/
● spätestens bis: 09.04.2012 (Ostermontag)
●
●
Lesen Sie „The Computer for the 21st Century“
von Mark Weiser [2]
wirklich zu empfehlen!
● Deadline 1. Übung
●
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39
Literatur
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
M. Weiser, Some Computer Science Issues of Ubiquitous
Computing, Communications of the ACM, Vol. 36, No. 7, Juli
1993
M. Weiser, The Computer for the 21st Century, Scientific
American, Vol. 265, No. 3, pp. 94-104, September 1991
M. Weiser and J. S. Brown, The Coming Age of Calm
Technology, in Beyond Calculation: The Next 50 Years,
Copernicus, New York, USA, 1997
R. Want, A. Hopper, V. Falcao, and J. Gibbons, The Active
Badge Location System, ACM Transactions on Information
Systems, Vol. 10, No. 1, pp 91-102, Januar 1992
M. Satyanarayanan, Pervasive Computing: Vision and
Challenges, IEEE Personal Communications, Vol. 8, 2001
A. Greenfield, Everyware: The Dawning Age of Ubiquitous
Computing, New Riders Publishing, 2006
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